採用類MIM技術成型的金屬列印機：Metal X
■實威國際/陳信廷 資深工程師
前言
2013年成立的Markforged，除了比較常見的塑料列印機外，其設備也有不同的程度進化。從單一塑料，到可列印連續性纖維的複合式材料，接下來將更進一步的為大家介紹有別於以往3D列印成型方式的Markforged金屬機。以往我們認識的金屬3D列印機，不難發現他們在市場上的能見度極低，而造成這種情況的原因大致可分為以下5點：1.機台購置成本極高，動輒2000萬台幣以上。2.機台維護成本遠高於一般3D列印機台。3.材料選擇性較單一，幾乎無法使用副廠材料，原廠材料費又高居不下。4.需專用空間，控制極度良好的溫溼度。5.有粉塵爆炸可能。上述的幾項原因便是導致許多廠商遲遲不敢進行採購或轉而投資其他技術的原因。Markforged考慮到以上幾點因素，採用有別於以往廠商所使用的技術製造出全新且相對低價的金屬3D列印機。
不同以往的3D金屬列印機
以往3D列印多為透過雷射燒結金屬粉末，Markforged則是利用類似金屬射出成型(MIM)的技術來成型。所謂金屬射出成型(MIM)是將金屬粉末或有機黏結材料劑於高溫下混合，使混合物具有類似塑膠之流變行為，將塑化後的混合物經由射出成型機加熱，加壓射入模具中成型，然再利用化學或熱分解的方法，將生胚內部的黏結劑部份釋出於胚體外，隨後在高溫環境下利用高溫燒結的原理將生胚緻密化成為最終的產品。MarkfoegrdMetalX金屬列印機則是取消混煉、造粒與製作射出模具等步驟，直接以類似熱熔沉積製造(FDM)的3D列印技術，列印含有金屬粉末的塑料模型，再經過脫脂、燒結的步驟，完成最終模型（圖1所示）。
然而Markforged也不單單只是販售列印機本身，所有基本的後處理設備也都一應俱全，包含後端的清洗機Wash-1與高溫燒結爐Sinter-1/Sinter-2。使用Markforged原廠後處理設備，以及Markforged的列印機，在列印時皆以網路雲端軟體來進行列印管控，可讓人員透過個人電腦遠端進行資料傳輸、掌握列印進度，同時該雲端軟體上也會自動計算該模型須清洗以及燒結的時間（圖2所示）。當選擇好要清洗的樣品後，只需要把樣品放進Wash-1清洗機（如圖3所示），機器即會自動以脫脂溶劑將模型清洗乾淨，接著移至一旁瀝乾。
其中因Markforged使用的材料分別有金屬材與陶瓷材料，陶瓷材主要功用為隔離金屬材及支撐材，優點在於當經過燒結爐燒結後，可輕易將金屬材及支撐材分離開，不需額外進行線切割便能將支撐移除，故該陶瓷材的應用也為Markforged的專利技術之一。
燒結的部分，軟體能夠即時呈現燒結時程，並顯示目前進度（如圖4所示）。將藉由清洗機清洗過的模型放進燒結爐後，我們只需靜靜等待，電腦化控制的燒結爐便會根據設定的升溫曲線，緩緩地加熱到工作溫度，並完成燒結；其燒結後的成品即是緻密度99.7%的完整金屬製品（圖5所示）。
MarkforgedMetalX金屬列印機在物件列印過程中的每層厚度為0.125mm，而當列印物件在40×40×40mm的小尺寸內，其每層厚度最小可達0.05mm，因列印後的層厚緻密，再經由清洗、燒結等後處理，使得完成的產品強度、硬度、耐溫與一般金屬零件無異（圖6所示）。而當中如果列印出來的表面品質尚達不到您的要求，也可以透過後處理的方式再進行加工，使得各行各業皆有能符合其應用的機會（圖8所示）。
應用案例
以DIXON公司為例，該公司以生產閥為主要產品，而因DIXON公司在產線上走向自動化生產，其中以機械手臂前端的塑膠夾爪耗損率極高，因有時候塑膠的表面不具備所需的硬度而受金屬零件的磨削，經由測試驗證通常在1500次的運作週期內，塑膠鉗口便會產生磨損；因此DIXON公司透過MarkforgedMetalX金屬列印機以17-4不銹鋼材料來列印出夾具（如圖7所示），其金屬夾具的應用帶來的優勢，能大幅提高使用壽命，並減少更換的次數；單從生產量來看，舊有的製程需14天，而MarkforgedMetalX只需1.25天，節省了91%的時間，而以成本來說更有98%的差異；從各層面來看，皆大大地提高生產的效益。
可支援的材料種類
目前MetalX支援的材料種類有不鏽鋼、模具鋼、英高鎳合金、銅等四種，以下針對這四種材料進行介紹:
•不鏽鋼：17-4不鏽鋼是一種具有出色耐腐蝕性的高強度、高硬度金屬。這種多用途鋼被廣泛用於製造業、航空航太、石油和醫療行業。如果進行熱處理，其極限抗拉強度為1250MPa，洛氏硬度為36HRC。
•模具鋼：A-2、D-2、H13使用高硬度模具鋼製造各種冷作和熱作工具。許多製造商和裝配商，機加工車間和鈑金加工商都使用工具鋼。可用來列印沖頭、模具、工業剪和耐磨刀片。
•英高鎳合金：Inconel625是一種鎳鉻基高溫合金，可抵抗高溫和高腐蝕性環境。與傳統的製造方法相比，列印英高鎳合金的加工方式明顯容易得多，使您可以輕鬆地製作適用於惡劣環境的功能性原型和最終使用的零件。
•銅：是一種柔軟、易延展的金屬，以其高導熱性和導電性而聞名。廣泛用於熱交換器和電氣應用中。
除上述四種材料外，目前還有一種材料正在研發中，即是業界最期待應用的鈦合金。Ti-6Al-4V擁有所有金屬中最高的強度重量比，是輕量化應用的理想選擇，且具有出色的耐腐蝕性。廣泛用於航太、汽車產業之應用，例如機身部件和渦輪葉片。
結語
以往過高的金屬3D列印機購置門檻，在Markforged推出MetalX桌上型金屬列印機後，大幅降低了購買門檻。從安全性方面來說，MetalX的成型方式也較傳統純粉末燒結的3D列印方式來得更為安全快速。此外，在材料的使用方面，也提供了更為豐富多樣的選擇。■
